LED: La qualità prima della quantità di luce

Se hai mai progettato illuminazione a LED, probabilmente ti sei imbattuto in alcuni LED molto costosi che pubblicizzano un alto Indice di Resa Cromatica (CRI), e forse hai pensato che i LED più economici sarebbero stati migliori, permettendoti di ottenere più luce per la stessa quantità di denaro. Se, tuttavia, stai per progettare l'illuminazione a LED e non sei realmente familiare con gli indici di resa cromatica, allora questo potrebbe essere il momento giusto per imparare a riguardo. Dopo tutto, quanto conta davvero l'indice di resa cromatica di un LED?

A seconda della tua applicazione, l'indice di resa cromatica potrebbe fare la differenza tra un prodotto eccellente e uno piuttosto terribile. Se la tua applicazione coinvolge alimenti, esposizioni al dettaglio, fotografia o videografia, allora l'indice di resa cromatica è assolutamente vitale, più dell'assoluta luminosità.

Da fotografo amatoriale, tendo a progettare progetti personali utilizzando LED bianchi con CRI 97+. Essendo progetti personali, la differenza di costo tra un LED ad alto CRI e un LED bianco normale non è grande, e mi dà soddisfazione sapere che la luce farà sembrare i colori bellissimi. Non tutti hanno la stessa apprezzamento per i colori vividi e vibranti ottenuti attraverso costosi LED ad alto CRI che ho io, e spero di cambiare questo attraverso alcuni test in questo articolo.

Ho visto alcuni video su YouTube su come realizzare grandi e luminosi pannelli DIY utilizzando strisce LED economiche. Le strisce LED che pubblicizzano sono davvero molto economiche, tuttavia, anche la qualità della luce lo è. Quando lavoravo in un laboratorio di ricerca alcuni anni fa, ho specificato una striscia di LED con CRI 95+ per un progetto LightBoard che doveva essere utilizzato internamente. Alcuni dei miei colleghi si sono spaventati per il costo della striscia LED, che, all'epoca, costava quasi 20 volte più della striscia LED più economica della stessa lunghezza venduta sui mercati online. I miei argomenti a favore della qualità della luce hanno prevalso, e il progetto è finito per avere un aspetto spettacolare con scritte molto luminose e vibranti sul light board, che superavano di gran lunga qualsiasi cosa potessero produrre le strisce economiche.

All'epoca, non ho avuto la possibilità di dimostrare con un confronto diretto la striscia luminosa costosa contro quella economica, quindi invece, ho deciso di condividere qui il mio amore per i LED di alta qualità.

Mi sono recato su Amazon e ho acquistato la striscia LED da 5 metri più economica che potessi trovare. Il mio acquisto era per '12V LED Ribbon Waterproof Flexible LED Tape 5050 SMD 300 LEDs'.

Poi ho iniziato a cercare sui siti web di forniture per illuminazione del Regno Unito 'strisce LED ad alto CRI'. L'unica cosa che mi interessava era l'indice di resa cromatica, non la luminosità, la tensione o la corrente. Speravo di trovare alcuni LED bianchi diurni/neutri in modo da poterli riutilizzare in un altro progetto. A circa 15 volte il prezzo dei LED di Amazon, avrei potuto acquistare alcune strisce LED con CRI 96, ma il fornitore era esaurito. Ho optato per la striscia LED con CRI 90 più economica che risultava essere solo circa 5 volte il prezzo dei LED di Amazon, poiché era disponibile solo in un pacco da 10 metri. Speravo in un CRI 95+, ma non avendoli trovati, speravo che un CRI di 90 fosse sufficiente per dimostrare il mio punto.

Che cos'è l'Indice di Resa Cromatica

A questo punto, potresti chiederti cos'è l'indice di resa cromatica e perché ne sono così affascinato. L'indice di resa cromatica è una misura della qualità della luce bianca artificiale, con la luce solare al 100% che rappresenta lo standard d'oro a cui viene paragonata. La luce solare è ciò a cui i nostri occhi sono adattati e fornisce uno spettro di luce molto uniforme per la nostra visione. Il CRI viene calcolato confrontando una gamma di campioni di colore standard CIE con una fonte di luce di riferimento della stessa temperatura di colore, e poi osservando la percentuale di differenza. La mia striscia LED con CRI 90 manca di circa il 10% dello spettro di luce visibile rispetto al sole, motivo per cui avrei preferito molto di più una con CRI 95+.

L'indice di resa cromatica è indipendente dalla temperatura del colore. Un LED bianco freddo economico avrà tipicamente un CRI inferiore rispetto a un LED di temperatura di colore diurna, poiché il LED diurno necessita naturalmente di più luce rossa. Tuttavia, un LED bianco freddo di buona qualità può ancora avere un CRI di 95+, poiché richiede solo un materiale fosforescente più specializzato da parte del produttore.

I LED a basso costo tendono ad avere una bassa qualità della luce emessa, poiché richiedono una miscela specializzata di diversi materiali fosforescenti per creare tutte le lunghezze d'onda della luce necessarie per vedere tutti i colori in modo naturale. Puoi creare un LED bianco tu stesso utilizzando un singolo LED RGB semplicemente accendendo tutti i die contemporaneamente. Questo crea una luce di qualità molto bassa come avrai sperimentato tu stesso, poiché la luce ha solo 3 punti sullo spettro - rosso, verde e blu.

Zhang Junchao, Snapshot multi-wavelength interference microscope. Optics Express. 26. 18279. 10.1364/OE.26.018279.

Agli occhi nostri, che vedono in rosso, verde e blu, questo sembra luce bianca. Tuttavia, i riflessi su qualcosa di semplice come una mela rossa non sembrano corretti. La mela appare opaca, senza vita, o forse un po' malaticcia perché c'è solo una piccola parte dello spettro rosso che si riflette su di essa.

Se confrontiamo il nostro esempio di RGB di qualità della luce molto scarsa con la luce solare, puoi vedere immediatamente perché è un pessimo sostituto.

Fonte: Ultraviolet damage to the eye revisited: Eye-sun protection factor (E-SPF^®), a new ultraviolet protection label for eyewear. Clinical ophthalmology (Auckland, N.Z.). 8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189.

Per testare l'indice di resa cromatica, un laboratorio illuminerà la fonte di luce in esame su 15 campioni di colore di prova, la cui riflessione viene poi misurata e confrontata con la fonte di luce di riferimento (il sole). Ciò fornisce un valore R per ogni campione di colore, che indica quanto fedelmente una fonte di luce in esame può rendere quel colore. Il CRI è l'R_a, o la riflessione media di tutti i campioni, quindi potresti vedere il CRI indicato come R_a da alcuni produttori, o utilizzando R_a come 'unità'.

Generalmente, un CRI di 95 è considerato 'alto'. Tuttavia, alcuni produttori potrebbero abbassare questo limite a 90, come ha fatto il produttore della mia striscia LED 'ad alto CRI' relativamente economica. Le strisce LED molto economiche sono intorno a 30-50 CRI, e generalmente si può considerare un produttore che non pubblicizza il CRI dei suoi LED bianchi come piuttosto scadente.

Se si utilizza una luce con un basso indice di resa cromatica (CRI), gli oggetti non appariranno come ci si aspetta. Se state progettando l'illuminazione per un ristorante o la sezione ortofrutta di un supermercato, i clienti potrebbero percepire che il cibo ha un aspetto poco invitante, o forse di non elevata qualità, perché non sembra come si aspettano.

Se state progettando l'illuminazione per la fotografia o la videografia, una fonte luminosa con un basso CRI risulterà in colori spenti e tonalità della pelle che fanno sembrare le persone malate. Non c'è molto che si possa fare in post-produzione per correggere questo, poiché quelle lunghezze d'onda della luce semplicemente non erano presenti per essere catturate dalla fotocamera.

Configurazione del Test

Ora che sapete cos'è il CRI, torniamo ai test. Ho tolto il tappetino antistatico dal mio banco da laboratorio parzialmente allestito per formare l'area di test. È notte, e non c'è fonte di luce eccetto i LED e lo schermo relativamente scuro dell'alimentatore da laboratorio. Ho preso circa 900mm di striscia LED da ogni bobina da 5 metri per il test.

Testare la qualità della luce utilizzando strisce LED di alta qualità ed economiche.

La configurazione del test è semplice: il mio alimentatore Rigol DP832 alimenta ogni striscia LED, che è attaccata a un piccolo treppiede da un capo e fissata con del nastro adesivo alla mia lampada con lente d'ingrandimento dall'altro. Entrambe le strisce LED sono fissate insieme, quindi seguiranno lo stesso percorso, il che risulterà in un'illuminazione uguale tra le strisce. Ogni soggetto del test verrà fotografato con l'illuminazione di ciascuna striscia LED, risultando in due foto per ogni soggetto del test, una illuminata dalla striscia LED economica, e una dalla striscia LED con CRI superiore a 90.

I miei soggetti di test sono:

• Matite colorate economiche da Amazon, con la gamma di colori più ampia possibile.
• Una tavola di calibrazione dei colori Datacolour SpyderChecker 24.
• Un set economico di pastelli artistici.

La tavola di calibrazione dei colori è uno standard di alta qualità utilizzato nell'industria per la correzione del colore in foto e video in post-produzione. Non sono gli stessi colori utilizzati per i test CRI, ma offre comunque colori di riferimento di alta qualità per le nostre valutazioni.

Per la fotocamera, sto utilizzando una Nikon D5600 che scatta immagini raw a 14 bit, con un obiettivo Sigma 18-35mm F/1.8 impostato a 22mm di zoom, f/6.3. Anche se la fotocamera vede solo una specifica banda di rosso, verde e blu, dopo aver guardato le foto del test, direi che le differenze nel passare da una striscia LED all'altra sono ancora più evidenti ad occhio nudo. Le foto sono state modificate per garantire che le esposizioni fossero corrette e per assicurare che il bilanciamento del bianco fosse impostato sul terzo livello grigio della tavola di test dei colori in DXO Optics Pro 11. Come vedrete nelle foto del test, la striscia LED economica iniziava a faticare oltre il terzo livello grigio.

Dato che in questo test non ci interessa la quantità di luce, il fatto che la luce non sia distribuita uniformemente sui soggetti di test è irrilevante. Siamo interessati solo ai colori che la fotocamera può vedere. Nelle immagini del test, ho tentato di abbinare la luminosità dei colori blu medi tra le due immagini poiché questi sono i colori resi più equamente da entrambe le strisce LED.

Immagini del Test

Le mie impostazioni del bilanciamento del bianco per la striscia LED economica sono risultate essere 8675 Kelvin, con una tinta di -66.

La striscia LED costosa era a 4295 Kelvin (pubblicizzata come 4000K), e una tinta di -43.

Grafico di Test

Grafico di test che confronta la striscia LED economica con strisce LED costose con CRI superiore a 90.

L'angolo in alto a sinistra di ogni casella è la striscia LED economica, e il colore in basso a destra è la striscia LED costosa che sostiene di avere un CRI superiore a 90. Le due caselle più a destra in alto sono tonalità di pelle, la fila in basso dovrebbe essere di grigi perfetti che riflettono l'intero spettro visibile in modo uniforme.

Nel grafico di test si può vedere che la casella rossa è molto scura quando esposta alla striscia LED economica, poiché non c'è molta luce da riflettere indietro. I blu puri sembrano molto simili per entrambi, confermando un buon bilanciamento del bianco e un abbinamento dell'esposizione abbastanza vicino tra le due immagini.

Pastelli

Notare che i colori in alto a destra appaiono molto spenti e senza vita.

Per i pastelli, ho usato le stesse impostazioni del bilanciamento del bianco che sono state determinate con il grafico di test. La divisione per queste immagini è la stessa, con la striscia LED economica in alto a destra e la striscia LED costosa ad alto CRI in basso a destra.

Di nuovo, vediamo che i gialli brillanti appaiono molto spenti e senza vita sulla striscia LED più economica. I rosa sotto la striscia LED a basso costo sembrano quasi viola. Immaginate come apparirebbero bacon, prosciutto o un petto di pollo fresco!

Matite

La differenza per la maggior parte dei colori è come il giorno e la notte.

Per questa immagine, ho alternato le file di illuminazione LED ad alto CRI e basso CRI. Non sono riuscito a allineare perfettamente le matite a causa della fotocamera leggermente inclinata sulla foto della striscia LED economica, tuttavia dovrebbero allinearsi abbastanza bene per un confronto.

Adoro come questa immagine mostri che la maggior parte dei blu sembra molto simile, eppure i viola, che necessitano di un po' di rosso per sembrare viola, e i rosa, appaiono davvero diversi. I gialli, di nuovo, appaiono molto spenti e senza vita, e i rossi molto scuri.

Riflessioni sulle Immagini di Test

Non ho mai testato strisce LED in un confronto diretto come questo prima, e la differenza durante il test è stata molto sorprendente. La striscia LED economica appare molto sbagliata agli occhi, e sembra significativamente più scura anche se consuma la stessa corrente della striscia più costosa. Nonostante la striscia costosa abbia solo un CRI di 90, appare comunque molto accogliente e piacevole agli occhi. È come uscire da un ufficio illuminato a fluorescenza in una giornata primaverile, quando la luce del sole non è troppo intensa ma sufficientemente calda da essere piacevole. La striscia LED a basso costo dà la sensazione di tornare dentro per lavorare su un rapporto che si sta procrastinando da settimane.

La fotocamera cattura gran parte della differenza nella qualità della luce, ma in realtà non riesce a catturarla completamente. Guardando le immagini sul mio computer, posso vedere che i colori della striscia LED economica non sembrano del tutto corretti, e le immagini appaiono opache e prive di vita. I nostri occhi hanno una percezione dei colori molto migliore rispetto alla fotocamera, e lo spettro luminoso più completo appare significativamente più luminoso e più piacevole agli occhi.

Queste emozioni e sensazioni influenzerebbero anche i sentimenti di un cliente al dettaglio riguardo a un prodotto esposto. Se stessi esponendo un bell'oggetto in un negozio sotto la luce della striscia LED economica, non sarebbe altrettanto attraente o invitante come se fosse illuminato dalla striscia LED di qualità superiore. Come studio di ingegneria, i vostri potenziali clienti sono i negozi al dettaglio; il vostro compito è fare in modo che i loro prodotti appaiano il più belli possibile per attirare i visitatori a fare acquisti nei negozi. Se utilizzate una grande quantità di illuminazione di scarsa qualità nel vostro dispositivo, potrebbe essere molto luminoso ma non vendere il prodotto.

Allo stesso modo, se steste progettando una soluzione di illuminazione su misura per un bar o un ristorante, vorreste assicurarvi che ogni raggio di luce che si riflette su ciò che il cliente sta consumando lo faccia apparire appetitoso e gustoso.

Una buona illuminazione è importante non solo per il retail, i prodotti alimentari e i ristoranti. Se state progettando l'illuminazione per la visione artificiale a colori, assicurarsi che l'illuminazione sia di buona qualità fornirà al computer colori più luminosi e vibranti con cui lavorare, il che a sua volta migliorerà la qualità degli algoritmi di visione artificiale.

Conclusione

La prossima volta che acquisti LED bianchi, considera di selezionare in base all'indice di resa cromatica delle opzioni per assicurarti che ciò che stai illuminando appaia vibrante e bello all'osservatore. Octopart ha un filtro per il CRI, e se clicchi qui, ho prefiltrato tutti i LED che Octopart conosce per mostrare solo LED con CRI da 90 a 100. Ora, hai a disposizione un'ottima lista di LED, che puoi iniziare a ordinare per prezzo e filtrare per flusso luminoso o intensità luminosa.

Quando si scelgono componenti per un progetto, ci sono molte volte in cui la qualità del segnale è significativamente più importante della quantità del segnale. Consideriamo il rapporto segnale/rumore in molti dispositivi che usiamo, e ottimizziamo per le parti di più alta prestazione che possiamo inserire nel budget. Quando si tratta di illuminazione, il sensore per cui stiamo ottimizzando è l'occhio umano (o robotico!). Il CRI è solo uno dei tanti fattori quando si tratta di selezionare un ottimo LED per il tuo progetto, ma ritengo possa essere uno dei più importanti, poiché può influenzare così tanto i sentimenti e le emozioni dell'osservatore quando guarda il soggetto illuminato.

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